Сложные жидкости 🌟, такие как кетчуп или зубная паста, могут менять состояние: из «твёрдого» в «жидкое» при воздействии (например, встряхивании или сжатии). Детали этого перехода критически важны для пищевой индустрии 🥫 и косметики. Новое исследование показало, что точку перехода можно предсказать, изучая свойства вещества ещё в твёрдоподобном состоянии [1]. Это открытие упростит разработку и контроль таких материалов в промышленности.
Материалы с пределом текучести (YSFs) — например, заварной крем 🧁 или кремы для лица🧴 — меняют способность течь под давлением. «Именно этот переход определяет, сколько силы нужно, чтобы выдавить пасту из тюбика», — поясняет Райан Полинг-Скатвик из Университета Род-Айленда. Также он влияет на условия обработки полимеров в производстве.
YSFs — вязкоупругие материалы, сочетающие свойства твёрдых тел и жидкостей. Их характеризуют два параметра: модуль накопления \( G’ \) 📊 (энергия упругой деформации, как в сжатой пружине) и модуль потерь \( G” \) (энергия, рассеиваемая за счёт вязкости). Соотношение \( G”/G’ \) (тангенс потерь) показывает, насколько материал «жидкий» или «твёрдый».
Представьте YSF как сеть резиновых лент 🕸️ (полимерные цепи), говорит Полинг-Скатвик. При нагрузке связи разрушаются, цепочки скользят, рассеивая энергию. «Мы столетия знали о переходе, но не могли его предсказать», — отмечает он.
Учёные исследовали модель YSF — гель на основе полимера в водно-деканольной смеси. Его встряхивали между пластинами, имитируя тряску бутылки с кетчупом 🧴. Измеряя деформацию, они вычислили \( G’ \) и \( G” \).
Многие YSF демонстрируют пик \( G” \) при переходе: модуль потерь достигает максимума при увеличении амплитуды встряхивания, затем падает [2]. Оказалось, что этот пик универсально связан с тангенсом потерь в покое! 📉 Причём зависимость одинаково работает для разных YSF: гидрогелей, коллоидных суспензий.
«Удивительно, что параметр, измеренный в твёрдом состоянии, предсказывает поведение при переходе», — говорит Полинг-Скатвик. Это означает: одни и те же физические механизмы управляют и малыми деформациями (в твёрдой фазе), и течением при разрушении структуры.
Результаты противоречат интуиции, отмечает физик Тибо Диву из Лиона. Например, закономерность работает даже для материалов без «обратимого» предела текучести, как желатиновые гели.
Открытие пригодится в промышленности: от создания пластиков для 3D-печати 🖨️ (которые текут через сопло, но сохраняют форму) до оптимизации косметических формул. «Это станет ориентиром для разработки новых материалов», — заключает Диву.
— Филип Болл
Филип Болл — научный журналист из Лондона. Его новая книга «Как устроена жизнь» (How Life Works) вышла в 2024 году.